TFT Poly-Si - Les Thèses de l`INSA de Lyon

N° d’ordre 2007ISAL0109 Année 2007
THESE
Caractérisation, modélisation, conception pour des
applications analogiques grande surface dans la
technologie transistors en couches minces en silicium
polycristallin (TFT Poly-Si)
présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
pour obtenir
Le grade de docteur
Ecole doctorale : Electronique Electro-technique et Automatique (EEA)
Spécialité : Dispositifs de l’électronique intégrée
par
Cédric RECHATIN
Soutenue le 19 décembre devant la Commission d’examen
Jury
Mr Nacer ABOUCHI Directeur de thèse
Mr Patrick AUDEBERT Co-encadrant de thèse
Mr Daniel BARBIER Examinateur
Mr Jean-Marc GALVAN Examinateur
Mr François TEMPLIER Examinateur
Mr Richard GRISEL Rapporteur
Mr Didier VINCENT Rapporteur

TITRE
Caractérisation, modélisation, conception pour des applications analogiques grande surface dans
la technologie transistors en couches minces en silicium polycristallin (TFT Poly-Si)
RÉSUMÉ
L’objectif de ce travail est d’étudier le potentiel de la technologie des transistors en couches
minces à base de silicium polycristallin (TFT Poly-Si) pour la conception de circuits analogiques.
Le gain en mobilité par rapport à la technologie amorphe (TFT a-Si), permet l’intégration
directement sur la dalle en verre de nouvelles fonctionnalités pour obtenir des systèmes à fortes
valeurs ajoutées. Les travaux ont porté sur la caractérisation et la modélisation des transistors en
vue d’une conception analogique. Un accent particulier a été mis sur la modélisation de l’erreur
d’appariement dans cette technologie. Puis nous avons présenté une nouvelle architecture pour
une application de capteur d’empreintes capacitif. Elle est basée sur un traitement parallèle des
données et est parfaitement adaptée aux contraintes de la technologie. Elle permet notamment de
simplifier le pixel et de compenser la tension de décalage aléatoire de l’amplificateur de charges.
MOTS-CLÉS
Transistors en couches minces (TFT), TFT en silicium polycristallin, Systèmes sur verre, Erreur
d’appariement, capteur d’empreintes capacitif.
TITLE
Characterization, modeling, design on polycrystalline silicon thin film transistors technology for
large area electronics applications
The purpose of this work is to investigate the potential of Polysilicon Thin Film Transistors
technology (Poly-Si TFT) for analog circuits design. The higher carrier mobility compared to
amorphous silicon TFT allows the integration of various functional circuits on a single glass
substrate, thus resulting in high value added systems. This work has been focused on the
characterization and modeling of TFT Poly-Si transistors in order to design analog circuits. A
new method for mismatch modeling has been exposed. Then a novel architecture for capacitive
fingerprint sensor has been presented. This architecture based on column-parallel architecture is
used for pixel simplification and for offset voltage cancellation of column charge amplifier.
KEYWORDS
Thin Film Transistor (TFT), Polysilicon TFT, SOG, Mismatch modeling, Capacitive fingerprint
sensor.

Table des matières
Introduction ....................................................................................................................................5
Chapitre 1 - Etat de l’art des technologies transistors en couches minces en silicium
polycristallin (TFT Poly-Si) et leurs applications........................................................................9
I. Présentation de la technologie TFT Poly-Si.......................................................................10
I.1 Description physique du silicium polycristallin.........................................................10
I.1.1 Le silicium monocristallin......................................................................................10
I.1.2 Le silicium amorphe...............................................................................................10
I.1.3 Le silicium polycristallin........................................................................................11
I.2 Définition et description physiques des transistors à couches minces sur silicium
polycristallin (TFT Poly-Si)...................................................................................................13
I.2.1 Définition des transistors en couches minces (TFT)..............................................13
I.2.2 Les différents substrats des TFT Poly-Si ...............................................................14
I.2.3 Description du transistor TFT poly-Si basse température......................................15
I.3 Particularités électriques des TFT poly-si basse température ....................................16
I.3.1 Fonctionnement des transistors TFT Poly-Si.........................................................16
I.3.2 La tension de seuil Vt/Von....................................................................................17
I.3.3 Mobilité des porteurs et pente sous le seuil............................................................18
I.3.4 Le courant de fuite Ioff...........................................................................................19
I.3.5 Effets du substrat flottant .......................................................................................20
I.3.6 Influence de la taille des grains sur les caractéristiques des TFT poly-si ..............21
I.3.6.1 Impact de la taille des grains sur les performances des transistors ................21
I.3.6.2 Impact de la taille des grains sur la dispersion des caractéristiques statiques22
I.4 Evolutions et perspectives pour la technologie TFT Poly-Si.....................................23
II. Applications grande surface de la technologie transistors en couches minces en silicium
polycristallin (TFT Poly-Si).......................................................................................................25
II.1 Applications des TFT Poly-Si aux écrans plats .........................................................25
II.1.1 Evolution et contexte économique .....................................................................25
II.1.2 Les écrans plats à cristaux liquides avec matrice active: les AMLCD (Active
Matrix Liquid Crystal Display)..........................................................................................27
II.1.3 Avantages du TFT Poly-Si par rapport à l’amorphe dans les AMLCD.............29
II.1.4 Les écrans plats à diodes électroluminescentes organiques avec matrice active:
les AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Display) .......................................31
II.1.4.1 Matrices PMOLED et AMOLED ..................................................................31
II.1.4.2 La technologie OLED: avantages et inconvénients .......................................31
II.1.4.3 Les architectures de circuits à base de TFT Poly-Si dans les AMOLED : les
circuits d’adressage dans le pixel...................................................................................32
II.1.5 Les écrans-systèmes (SOG : System on Glass)..................................................34
II.2 Autres applications : les imageurs à rayon X.............................................................35
III. Conclusion et objectifs de la thèse .....................................................................................37
IV. Références bibliographiques du 1er chapitre ......................................................................38
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